中国科学家首次观测到三重简并费米子

继“拓扑绝缘体”、“量子反常霍尔效应”、“外尔费米子”之后，最近中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）的科研团队在拓扑物态研究领域又取得了重大突破，首次观测到三重简并费米子，为固体材料中电子拓扑态研究开辟了新的方向。这一研究成果于6月19日在线发表在《自然》（Nature，doi:10.1038/nature22390）期刊上。该项研究从理论预言、样品制备到实验观测的全过程，都由我国科学家独立完成。

组成宇宙的基本粒子可分为玻色子和费米子。现有的理论认为宇宙中可能存在三种类型的费米子，即狄拉克（Dirac）费米子、外尔（Weyl）费米子和马约拉纳（Majorana）费米子。狄拉克费米子已经被发现，大家所熟知的电子、质子、中子等就是狄拉克费米子，而外尔费米子和马约拉纳费米子还没有在粒子物理实验中被观测到。

另一方面，固体中众多的电子受到周期性晶格和电子-电子间相互作用的影响而表现出不同于单个自由电子的集体行为。这样的集体激发可以看作是一个假想的新粒子，即所谓的准粒子。不同固体中电子的准粒子可以表现出不同的粒子行为，是基本粒子在固体中的“影子”。人们首先在固体中发现对应于无质量狄拉克费米子的准粒子。2012年，物理所方忠、戴希、翁红明研究组理论预言在Na3Bi中存在无“质量”的三维狄拉克费米子，随后得到实验证实。2015年，他们又预言TaAs（砷化钽）家族材料中存在外尔费米子。物理所陈根富研究组制备出TaAs单晶样品，丁洪、钱天研究组在上海光源“梦之线”和瑞士保罗谢勒研究所的实验站上观测到了TaAs晶体中的外尔费米子。外尔费米子的发现入选了美国物理学会评选的2015年国际物理学八大亮点、英国物理学会评选的2015年物理世界十大突破、2015年中国科学十大进展和2015年中国十大科技进展新闻。